Ultrafast multi-terahertz control of two-dimensional quantum systems

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	2 June 2025
Referee:	Prof. Dr. Rupert Huber
Date of exam:	16 June 2023
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Huber > Group Rupert Huber
Keywords:	multi-Terahertz, polariton, intersubband, Rabi-flopping
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	55416

Abstract (English)

This thesis presents major advances in the ultrafast multi-THz control of two dimensional quantum systems, which may become important for future optoelectronic devices and quantum information technology. First, the coherent nonlinear sub-cycle dynamics of excitons in a TMDC monolayer are investigated. Resonant multi-THz excitation of the 1s-2p transition leads to the generation of sidebands in ...

Abstract (English)

This thesis presents major advances in the ultrafast multi-THz control of two dimensional quantum systems, which may become important for future optoelectronic devices and quantum information technology.

First, the coherent nonlinear sub-cycle dynamics of excitons in a TMDC monolayer are investigated. Resonant multi-THz excitation of the 1s-2p transition leads to the generation of sidebands in a regime of light-matter interaction where field-driven effects and electronic correlations are in balance. The temporal structure of the sideband emission provides evidence of
carrier-wave Rabi-flopping and the involvement of higher-lying states of the excitonic multi-level system in the coherent dynamics.

Second, intersubband polariton-polariton scattering is observed for the first time. Ultrafast noncollinear multi-THz pump-probe spectroscopy traces the polariton dynamics in a dispersive microcavity directly in the band structure. The stimulated scattering process creates a coherent population at the polaritonic ground state and puts Bose-Einstein condensation of intersubband polaritons within reach.

To achieve these goals, novel THz photonics are implemented. In particular, a newly developed ultrabroadband electro-optic detector enables the etalon-free characterization of phase-stable multi-THz waveforms. Furthermore, a dedicated optical setup provides strong-field multi-THz pulses at high laser repetition rates suitable for the lightwave control of electrons, as demonstrated by high-harmonic generation in a nanostructured device and by multi-THz-induced tunneling currents at an electronic interface.

Translation of the abstract (German)

Diese Arbeit stellt wichtige Fortschritte in der ultraschnellen Multi-THz-Kontrolle zweidimensionaler Quantensysteme vor, die zentraler Bestandteil künftiger Optoelektronik und Quanteninformationstechnologie werden könnten. Erstens wird die kohärente nichtlineare Subzyklen-Dynamik von Exzitonen in einer Übergangsmetall-Dichalkogenid-Monolage untersucht. Resonante Multi-THz-Anregung des ...

Translation of the abstract (German)

Diese Arbeit stellt wichtige Fortschritte in der ultraschnellen Multi-THz-Kontrolle zweidimensionaler Quantensysteme vor, die zentraler Bestandteil künftiger Optoelektronik und Quanteninformationstechnologie werden könnten.

Erstens wird die kohärente nichtlineare Subzyklen-Dynamik von Exzitonen in einer Übergangsmetall-Dichalkogenid-Monolage untersucht. Resonante Multi-THz-Anregung des exzitonischen 1s-2p Übergangs führt zur Erzeugung von optischen Seitenbändern in einem Regime der Licht-Materie-Wechselwirkung, in dem feldgetriebene Effekte und elektronische Korrelationen im Gleichgewicht sind. Die zeitliche Struktur der Seitenbandemission zeugt von
Rabi-Oszillationen auf Zeitskalen einzelner Schwingungen der elektromagnetischen Trägerwelle sowie der Beteiligung höher liegender Energiezustände des exzitonischen Systems an der kohärenten Dynamik.

Zweitens wird zum ersten Mal die Streuung zwischen Intersubband-Polaritonen demonstriert. Mittels ultraschneller nichtkollinearer Anrege-Abtast-Spektroskopie wird die Polaritondynamik in einer dispersiven Mikrokavität direkt in der Bandstruktur verfolgt. Der stimulierte Streuprozess erzeugt eine kohärente Population im polaritonischen Grundzustand und bringt die Bose-Einstein-Kondensation von Intersubband-Polaritonen in Reichweite.

Um diese Ziele zu erreichen, werden neuartige Multi-THz-Technologien entwickelt. Insbesondere ermöglicht ein neuartiger ultrabreitbandiger elektro-optischer Detektor die Charakterisierung von phasenstabilen Multi-THz-Wellenformen bei gleichzeitiger Unterdrückung von Fabry-Pérot- Interferenzen. Darüber hinaus liefert ein dedizierter optischer Aufbau Starkfeld-Multi-THz-Impulse, die für Lichtwellenelektronik bei hohen Laserwiederholraten geeignet sind, wie die Generation hoher Harmonischer in einer nanostrukturierten Probe und die Erzeugung multi-THz-induzierter Tunnelströme in einem elektronischen Bauelement zeigen.

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